物資堆場(chǎng)主動(dòng)尋物系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

錢繼鋒，謝 霞，溫秉權(quán)

(軍事交通學(xué)院軍事物流系，天津300161)

戰(zhàn)時(shí)及應(yīng)急條件下，衛(wèi)生藥品、通信器材、野營(yíng)裝具、野戰(zhàn)食品、車輛器材等應(yīng)急救援物資消耗巨大，保障時(shí)效要求高，保障時(shí)空難以確定，對(duì)應(yīng)急物資器材保障提出了很高要求［1－2］。航空運(yùn)輸可解決長(zhǎng)距離的時(shí)空問題，航空集裝單元物資(如航空集裝板、集裝箱)在組板后先被運(yùn)至物資堆場(chǎng)待機(jī)，等運(yùn)輸機(jī)到達(dá)機(jī)場(chǎng)后將航空集裝板從堆場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)至機(jī)場(chǎng)裝機(jī)。

堆場(chǎng)作為物資臨時(shí)存放的場(chǎng)所，集裝單元物資數(shù)量多，占地面積大。當(dāng)堆場(chǎng)堆滿物資時(shí)，查找需要裝機(jī)的集裝單元物資費(fèi)力費(fèi)時(shí)，影響作業(yè)效率，因此急需為堆場(chǎng)物資的查找作業(yè)部署一套快速尋物系統(tǒng)。堆場(chǎng)航空集裝單元物資主動(dòng)尋找系統(tǒng)的用戶為航空裝卸隊(duì)作業(yè)人員，當(dāng)航空裝卸隊(duì)作業(yè)人員接收到轉(zhuǎn)運(yùn)指令后，需要對(duì)堆場(chǎng)的集裝單元物資進(jìn)行快速尋找定位，由拖車將集裝單元物資轉(zhuǎn)運(yùn)至機(jī)場(chǎng)裝機(jī)。

1 主動(dòng)尋物系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

為提高物資堆場(chǎng)的管理效率，準(zhǔn)確掌握航空集裝單元物資的流向，實(shí)現(xiàn)航空集裝單元物資管理的智能化、科學(xué)化和自動(dòng)化，以RFID電子標(biāo)簽［3］作為信息存儲(chǔ)媒介，將集裝物資的基本信息存儲(chǔ)在芯片中，可以實(shí)現(xiàn)集裝單元物資的快速查找和定位管理。

(1)集成創(chuàng)新。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)，盡可能采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以適應(yīng)更高的數(shù)據(jù)處理要求，使整個(gè)系統(tǒng)在一定時(shí)期內(nèi)保持技術(shù)上的先進(jìn)性。

(2)經(jīng)濟(jì)實(shí)用。在滿足主動(dòng)尋找系統(tǒng)作業(yè)需求的前提下，優(yōu)先選擇同類型中最合適的產(chǎn)品，采用成熟、穩(wěn)定、完善的產(chǎn)品和技術(shù)，滿足造價(jià)低、工期短、維修費(fèi)少、效率高、合理利用資源的要求。

(3)齊全完整。系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合航空轉(zhuǎn)運(yùn)業(yè)務(wù)工作的特點(diǎn)，滿足物資轉(zhuǎn)運(yùn)保障的要求。合理設(shè)計(jì)功能模塊，具備查找、定位、測(cè)距等功能，實(shí)現(xiàn)航空集裝單元物資的快速轉(zhuǎn)運(yùn)。

(4)安全可靠。為保證主動(dòng)查找系統(tǒng)不間斷運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、備份系統(tǒng)等方面進(jìn)行高安全性和可靠性設(shè)計(jì)。

(5)開放擴(kuò)展。系統(tǒng)方案要能與物流信息系統(tǒng)兼容，具有開放的體系結(jié)構(gòu)，可以擴(kuò)展業(yè)務(wù)功能和接口，能夠靈活升級(jí)和擴(kuò)充，可根據(jù)實(shí)際情況與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，滿足未來中長(zhǎng)期發(fā)展要求。

2 主動(dòng)尋物方案設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

主動(dòng)尋物系統(tǒng)主要由上層管理系統(tǒng)、手持終端、電子標(biāo)簽3部分構(gòu)成(如圖1所示)。航空裝卸隊(duì)接到物資轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)時(shí)，上層管理系統(tǒng)將轉(zhuǎn)運(yùn)物資清單下發(fā)至手持終端，作業(yè)人員持手持終端到達(dá)堆場(chǎng)，通過手持終端與有源電子標(biāo)簽的相互應(yīng)答，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)物進(jìn)行定位和信息采集，然后裝車轉(zhuǎn)運(yùn)至停機(jī)坪。轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)束后，作業(yè)人員將手持機(jī)與上層管理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，及時(shí)更新堆場(chǎng)物資管理信息。

圖1 主動(dòng)尋物系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)航空待運(yùn)物資存放區(qū)和集裝箱作業(yè)區(qū)的面積，確定本主動(dòng)尋找系統(tǒng)的作用范圍為0～150 m，查找定位時(shí)間小于2 s。主動(dòng)尋找系統(tǒng)具備同時(shí)識(shí)別200張標(biāo)簽的能力，具有同步通信機(jī)制，多個(gè)設(shè)備不能互相干擾，還要確保數(shù)據(jù)安全，防止鏈路竊聽與數(shù)據(jù)破解。

2.3 系統(tǒng)方案

通過對(duì)航空集裝單元尋找的功能需求進(jìn)行分析，確定使用遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)，主要由射頻標(biāo)簽、閱讀器、接收天線、發(fā)射天線、嵌入式軟件等部分組成。

在物資堆場(chǎng)建設(shè)RFID—WLAN系統(tǒng)，在堆場(chǎng)四周安裝4個(gè)無線AP終端，使WLAN的無線信號(hào)覆蓋整個(gè)物資堆場(chǎng)?？紤]軍用物資信息的保密性，WLAN系統(tǒng)設(shè)置為只允許指定MAC地址的手持式閱讀器訪問，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載。在物資堆場(chǎng)中，主動(dòng)尋物系統(tǒng)由射頻標(biāo)簽和手持式閱讀器組成，其中射頻標(biāo)簽安裝在航空集裝板或集裝箱上，可用來存儲(chǔ)和發(fā)送集裝箱內(nèi)的物資信息。每個(gè)航空集裝板或集裝箱上均安裝一張射頻標(biāo)簽，箱內(nèi)所裝物資品名、數(shù)量、狀況、終點(diǎn)、用戶等信息與標(biāo)簽的ID相綁定。手持式閱讀器安裝配置有源射頻識(shí)別模塊和無線網(wǎng)卡。主動(dòng)尋物系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2.3.1 工作頻率選擇

從實(shí)際的應(yīng)用情況來說，RFID系統(tǒng)的工作頻率也就是標(biāo)簽的工作頻率。標(biāo)簽的工作頻率決定了系統(tǒng)的工作原理、通信機(jī)制、識(shí)別距離。射頻標(biāo)簽的工作頻率基本上劃分為低頻、高頻、超高頻和微波4個(gè)范圍。微波頻率系統(tǒng)與其他頻率系統(tǒng)相比，識(shí)別距離更遠(yuǎn)、識(shí)別速度更快，并且更適用于在航空待運(yùn)物資存放區(qū)內(nèi)尋找特定的物資。因此本系統(tǒng)頻率選擇微波頻率2.45 GHz。

圖2 主動(dòng)尋物系統(tǒng)工作流程

2.3.2 天線選擇

標(biāo)簽天線的選擇重點(diǎn)考慮的是天線的尺寸、增益及極化方式。天線的增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)功率密度之比。增益越高，達(dá)到同樣輻射效果所需的發(fā)射功率就越小。天線極化是指天線向空間輻射的電磁波中，由電場(chǎng)的方向變化而引起的天線識(shí)別方向的變化。常用的幾種標(biāo)簽天線見表1。

表1 標(biāo)簽天線的類型

由表1可知，全向性的天線具有峰值增益為0～2 dB，方向性天線的增益可以達(dá)到6 dB。天線的極化包括線極化和圓極化，表中前三類是線極化，后兩類是圓極化。圓極化天線比線極化天線識(shí)別的方向性要好。根據(jù)航空集裝單元在航空待運(yùn)物資存放區(qū)的主動(dòng)尋找要求，天線選為全向極化的偶極子或折合振子天線。由于標(biāo)簽天線的方向性是不可控的，所以閱讀器的天線也宜選擇線極化的。同時(shí)，閱讀器天線采用平板天線，目前，平板天線比八木天線及陣列天線應(yīng)用更廣泛。

2.3.3 通信方式的選擇

射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作原理有電感和電磁兩種耦合方式。在電感耦合方式中，實(shí)際應(yīng)用中有密耦合系統(tǒng)和遙耦合系統(tǒng)，兩者均利用射頻標(biāo)簽與閱讀器天線的無功近場(chǎng)區(qū)之間的電感耦合(閉合磁路)構(gòu)成的無接觸空間信息傳播射頻通道進(jìn)行工作。前者工作頻率一般局限于30 MHz以下，典型作用距離為0～1 cm;后者典型工作頻率為13.56 MHz，工作距離在1 m以內(nèi)。

在電磁耦合方式中，遠(yuǎn)距離系統(tǒng)是其典型的應(yīng)用。它是利用射頻標(biāo)簽與閱讀器天線的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)之間的電磁耦合(電磁波的發(fā)射與反射)構(gòu)成的無接觸空間信息傳播射頻通道進(jìn)行工作。根據(jù)上述分析，采用電磁耦合方式的通信方式，遠(yuǎn)距離系統(tǒng)能更好地解決航空集裝單元物資在堆場(chǎng)中的尋找定位，距離上也更符合航空待運(yùn)物資存放區(qū)作業(yè)的特點(diǎn)。

2.3.4 標(biāo)簽設(shè)計(jì)

(1)標(biāo)簽類型選擇。根據(jù)標(biāo)簽的供電形式可以分為有源、無源及半有源系統(tǒng)三大類。有源電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，依靠自身攜帶電池提供工作全部能量，具有較遠(yuǎn)的閱讀距離，不足之處是電池的壽命有限(3～10年)。無源電子標(biāo)簽內(nèi)無電池，它接收到閱讀器(讀出裝置)發(fā)出的微波信號(hào)后，將部分微波能量轉(zhuǎn)化為直流電供自己工作。相比有源系統(tǒng)，無源系統(tǒng)在閱讀距離及適應(yīng)物體運(yùn)動(dòng)速度方面略有限制。半有源系統(tǒng)的標(biāo)簽帶有電池，但是電池只起到激活系統(tǒng)的作用，標(biāo)簽被激活后無須電池供電，即可進(jìn)入無源標(biāo)簽工作模式。

根據(jù)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)調(diào)制方式可分為主動(dòng)式、被動(dòng)式和半主動(dòng)式。一般地，有源系統(tǒng)為主動(dòng)式，無源系統(tǒng)為被動(dòng)式，半有源系統(tǒng)為半主動(dòng)式。主動(dòng)式系統(tǒng)標(biāo)簽利用自身能量主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器，調(diào)制方式有調(diào)幅、調(diào)頻或者調(diào)相。被動(dòng)式系統(tǒng)內(nèi)部不帶電池，標(biāo)簽的通信能量須由閱讀器發(fā)射的電磁波提供而獲得。半主動(dòng)式系統(tǒng)帶有電池，但電池只起到對(duì)內(nèi)部數(shù)字電路激活的作用。

由于有源、主動(dòng)式標(biāo)簽具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、存儲(chǔ)信息量大、可無線讀寫的優(yōu)勢(shì)，且航空集裝單元物資所含內(nèi)容多，需要及時(shí)修改與補(bǔ)充，所以主動(dòng)式、有源電子標(biāo)簽成為標(biāo)簽應(yīng)用的首選。

(2)其他要求。為了保證航空集裝單元運(yùn)輸?shù)陌踩蛯?duì)單元內(nèi)物資的監(jiān)控，標(biāo)簽應(yīng)該具有GPS地理位置坐標(biāo)信息和傳感器裝置。同時(shí)考慮到現(xiàn)有射頻識(shí)別系統(tǒng)對(duì)航空集裝單元信息采集時(shí)的介質(zhì)反射信號(hào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用金屬制造的航空集裝單元標(biāo)簽。射頻卡內(nèi)裝微型無線電收發(fā)機(jī)、微處理器和電池。微處理器能以特定的數(shù)據(jù)庫文件格式儲(chǔ)存128 KB字符。在航空運(yùn)輸時(shí)，標(biāo)簽可切換至休眠模式。射頻卡應(yīng)當(dāng)堅(jiān)實(shí)、耐惡劣氣候、耐沖擊，并能夠多次使用，可更換電池，使用壽命在10年以上。

(3)電子標(biāo)簽定型。通過上述分析，射頻標(biāo)簽采用有源RFID標(biāo)簽，頻率采用微波頻率2.45 GHz，工作方式為主動(dòng)式，接收天線使用全向天線，且符合 GJB 7377.2—2011標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.5 閱讀器設(shè)計(jì)

航空集裝單元在組板后臨時(shí)存放在航空待運(yùn)物資堆場(chǎng)，為了在裝機(jī)時(shí)能夠快速查找特定的物資，主動(dòng)尋找系統(tǒng)使用手持式閱讀器對(duì)航空集裝單元進(jìn)行快速查找并定位。采用遠(yuǎn)距離全向性閱讀器，用來自動(dòng)讀取航空集裝單元物資的信息，讀取信息后由閱讀器自帶的通信模塊上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

閱讀器硬件對(duì)外接口支持以太網(wǎng)接口及RS232接口，同時(shí)提供Windows操作系統(tǒng)的軟件接口。閱讀器設(shè)計(jì)為手持式無線電詢問機(jī)，能發(fā)出脈沖電波“激活”射頻卡，并能在一定距離(0～150 m)范圍內(nèi)閱讀電子標(biāo)簽上的信息內(nèi)容。手持終端還具有測(cè)距功能，能夠完成響應(yīng)標(biāo)簽與手持終端之間的距離測(cè)定。發(fā)射天線采用全向天線，讀取信息后由讀卡器自帶的通信模塊上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。此外防碰撞處理設(shè)計(jì)為200個(gè)標(biāo)簽同時(shí)讀取，識(shí)別速度可達(dá)150個(gè)/s。

3 主動(dòng)尋物系統(tǒng)功能

3.1 工作原理

手持式無線電詢問機(jī)能在特定距離范圍內(nèi)閱讀卡上的信息內(nèi)容。當(dāng)需要在航空待運(yùn)物資堆場(chǎng)中成百上千個(gè)航空集裝單元中快速查找某種特定物資時(shí)，手持式詢問機(jī)可根據(jù)該物品的名稱和編碼提出詢問，裝有該物品的航空集裝單元上的射頻卡即會(huì)做出應(yīng)答，隨后利用詢問機(jī)發(fā)出脈沖電波激活射頻卡上的蜂鳴器，作業(yè)人員即可循聲和光找到航空集裝單元。如果聲音在查找范圍之外，則可根據(jù)詢問機(jī)上測(cè)距儀顯示的距離去逐步接近。

3.2 功能模塊

3.2.1 查找定位功能

當(dāng)需要查找某種航空集裝單元物資時(shí)，可在軟件系統(tǒng)中輸入需要查找的物資品名，對(duì)綁定的標(biāo)簽發(fā)送查找指令;對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽在收到查找指令后，返回確認(rèn)信息并定位。

3.2.2 聲光報(bào)警功能

對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽在收到查找指令后，觸發(fā)聲光報(bào)警機(jī)制;作業(yè)人員根據(jù)聲音判斷大體方位，靠近時(shí)根據(jù)LED光確定具體標(biāo)簽;找到標(biāo)簽后按下按鍵即可停止聲光報(bào)警。

3.2.3 測(cè)距提示功能

手持終端還具有測(cè)距功能，能夠完成響應(yīng)標(biāo)簽與手持終端之間的距離測(cè)定，更方便地引導(dǎo)作業(yè)人員找到航空集裝單元。

4 結(jié)語

戰(zhàn)時(shí)及應(yīng)急條件下，航空運(yùn)輸可解決長(zhǎng)距離的時(shí)空問題，具有其他運(yùn)輸方式不可比擬的優(yōu)越性，對(duì)應(yīng)急物資器材的多式聯(lián)運(yùn)及快速保障具有重要的意義。通過本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)航空集裝物資在堆場(chǎng)中的快速查找、定位，滿足航空轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)物資種類、數(shù)量及質(zhì)量的要求。在具體建設(shè)中，應(yīng)針對(duì)各種細(xì)節(jié)問題進(jìn)行深入透徹的分析和研究，才能得到符合現(xiàn)實(shí)要求的方案。

［1］ 楊志偉.國(guó)家應(yīng)急救災(zāi)物資軍地聯(lián)儲(chǔ)研究［J］.國(guó)防，2012(5):9-12.

［2］ 錢昂，石紅霞，潘宏達(dá)，等.軍用物資配送能力建設(shè)研究［J］.軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，16(7):62-65.

［3］ 齊繼東，荀燁，張文斌.后勤物資配送信息融合新技術(shù)體系研究［J］.軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，16(2):60-63.